JP2022063102A - ガスバーナ - Google Patents

Abstract

【課題】失火を生じさせずに、騒音の発生を抑制することができるガスバーナを提供する。【解決手段】ガスバーナ１は、燃焼用空気Ａを通過させる空気管２、燃料ガスＦを通過させる燃料管、並びに複数の空気噴出口６Ａ，６Ｂ及び複数のガス噴出口５が形成されたバーナノズル４を備える。複数のガス噴出口５は、バーナノズル４の周方向Ｃにおいて、等間隔に並ばないよう部分的に片寄った状態で形成されている。複数の空気噴出口６Ａ，６Ｂは、バーナノズル４の径方向Ｒにおいて、ガス噴出口５の形成部位の外周側に重なる位置に形成された第１空気噴出口６Ａと、ガス噴出口５が形成されていない部位の外周側に重なる位置に形成された第２空気噴出口６Ｂとによって構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガスの燃焼によって火炎を形成するガスバーナに関する。

燃料ガスを燃焼させるガスバーナは、燃焼による火炎によって種々の環境を加熱するために用いられる。ガスバーナにおいては、燃料ガスが通過する燃料管の先端部に設けられたバーナノズルの形状に種々の工夫がなされている。

例えば、特許文献１のガスバーナのバーナノズルは、バーナノズルの径方向外周側へ突出するフランジ部と、バーナノズルの開口先端部を閉塞するプレート部とを有する。プレート部には、燃料ガスを径方向外周側へ噴出させるガス噴出口と、プレート部の周りを旋回して軸方向先端側へ燃焼用空気を噴出させる空気噴出口とが形成されている。この特許文献１のバーナノズルにおいては、低負荷燃焼時の燃焼安定性を向上させ、バーナノズルが火炎によって高温に加熱されにくくしている。

特開２０１２－１１２５６０公報

特許文献１のバーナノズルにおいては、バーナノズルの周方向の全周において、燃料ガスと燃焼用空気とが均等に混合されて燃焼する。ところが、発明者らの研究により、このような周方向の全周における均等な燃焼が、騒音を発生させる要因になっていることが判明した。従って、失火を生じさせずに、騒音の発生を抑制するためには、更なる工夫が必要とされる。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたもので、失火を生じさせずに、騒音の発生を抑制することができるガスバーナを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
燃焼用空気が通過する空気管と、
前記空気管内に配置され、燃料ガス、又は燃料ガスと燃焼用空気との混合気が通過する燃料管と、
前記空気管内に配置されるとともに前記燃料管の先端部に設けられ、かつ前記燃焼用空気を噴出させる複数の空気噴出口、及び前記燃料ガス又は前記混合気を噴出させる複数のガス噴出口が形成されたバーナノズルと、を備え、
複数の前記ガス噴出口は、前記バーナノズルの周方向において、等間隔に並ばないよう部分的に片寄った状態で形成されており、
複数の前記空気噴出口は、前記バーナノズルの径方向において、前記ガス噴出口の形成部位の外周側に重なる位置に形成された第１空気噴出口と、前記ガス噴出口が形成されていない部位の外周側に重なる位置に形成された第２空気噴出口とによって構成されている、ガスバーナにある。

前記一態様のガスバーナにおいては、バーナノズルにおけるガス噴出口及び空気噴出口の形成の仕方に工夫をし、燃焼時に騒音が発生しにくくしている。具体的には、複数のガス噴出口は、バーナノズルの周方向において、等間隔に並ばないよう部分的に片寄った状態で形成されている。また、複数の空気噴出口は、バーナノズルの径方向において、ガス噴出口の形成部位の外周側に重なる位置に形成された第１空気噴出口と、ガス噴出口が形成されていない部位の外周側に重なる位置に形成された第２空気噴出口とによって構成されている。

バーナノズルの周方向の各部位において、ガス噴出口と第１空気噴出口とが径方向に重なる部位においては、燃料ガス又は混合気と燃焼用空気とが混合されやすく、これらの燃焼による火炎が安定して形成される。これにより、ガス噴出口と第１空気噴出口とが径方向に重なる部位は、燃焼が先に開始される燃焼の起点となる。この部位は、燃料ガスの濃度が高い領域となり、バーナノズルにおいて失火が生じにくくすることができる。

一方、バーナノズルの周方向の各部位において、第２空気噴出口が形成された部位の内周側には、ガス噴出口が形成されていない。そして、第２空気噴出口から噴出される燃焼用空気は、ガス噴出口から噴出される燃料ガス又は混合気と、第１空気噴出口から噴出される燃焼用空気との燃焼による火炎に供給されて、燃焼に利用される。

このような構成により、バーナノズルの周方向の各部位において、複数のガス噴出口から噴出された燃料ガスの濃度には、濃淡の分布が生じる。そのため、バーナノズルによる火炎の形成が緩やかになり、火炎の温度が緩やかに上昇する。その結果、燃焼に伴う騒音の発生を抑制することができる。

このように、前記一態様のガスバーナによれば、失火を生じさせずに、騒音の発生を抑制することができる。

図１は、実施形態１にかかる、ガスバーナを示す、図２のI－I断面図である。 図２は、実施形態１にかかる、ガスバーナを示す、図１のII－II断面図である。 図３は、実施形態１にかかる、ガスバーナを示す、図１のIII－III断面図である。 図４は、実施形態２にかかる、ガスバーナを示す、図５のIV－IV断面図である。 図５は、実施形態２にかかる、ガスバーナを示す、図４のV－V断面図である。

前述したガスバーナにかかる好ましい実施形態について、図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
本形態のガスバーナ１は、図１～図３に示すように、空気管２、燃料管３及びバーナノズル４を備える。空気管２は、燃焼用空気Ａを通過させるものである。燃料管３は、空気管２内に配置されており、燃料ガスＦを通過させるものである。バーナノズル４は、空気管２内に配置されるとともに燃料管３の先端部に設けられている。バーナノズル４には、燃焼用空気Ａを噴出させる複数の空気噴出口６Ａ，６Ｂと、燃料ガスＦを噴出させる複数のガス噴出口５とが形成されている。

図２に示すように、複数のガス噴出口５は、バーナノズル４の周方向Ｃにおいて、等間隔に並ばないよう部分的に片寄った状態で形成されている。複数の空気噴出口６Ａ，６Ｂは、バーナノズル４の径方向Ｒにおいて、ガス噴出口５の形成部位の外周側に重なる位置に形成された第１空気噴出口６Ａと、ガス噴出口５が形成されていない部位の外周側に重なる位置に形成された第２空気噴出口６Ｂとによって構成されている。

以下に、本形態のガスバーナ１について詳説する。
本形態のガスバーナ１は、予混合気を用いず、火炎を形成する直前に燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとを混合させて燃焼を行い、火炎を形成するものである。また、本形態のガスバーナ１は、バーナノズル４の周方向Ｃにおいて、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの燃焼に意図的に片寄りを生じさせて、火炎の温度を低く保つよう構成されている。ガスバーナ１は、工業用炉に配置されて用いられ、燃焼による火炎によって炉内の雰囲気ガスを加熱するものである。本形態の燃料ガスＦは、都市ガス、水素等の可燃性ガスである。

本形態のガスバーナ１は、空気管２、燃料管３及びバーナノズル４がラジアントチューブ内に配置されて、ラジアントチューブからの輻射熱によって、炉内の雰囲気ガス又は加熱対象物を加熱するラジアントチューブバーナとして用いる。ラジアントチューブは、シングルエンドバーナを構成するものとしてもよく、リジェネバーナを構成するものとしてもよい。図１～図３においては、ラジアントチューブを省略して示す。

（軸方向Ｌ、周方向Ｃ及び径方向Ｒ）
図１～図３に示すように、ガスバーナ１において、軸方向Ｌとは、空気管２、燃料管３及びバーナノズル４の中心軸線に沿った方向のことをいう。周方向Ｃとは、空気管２、燃料管３及びバーナノズル４の中心軸線の周りの方向のことをいう。径方向Ｒとは、空気管２、燃料管３及びバーナノズル４の中心軸線から放射状に延びる方向のことをいう。

（空気管２及び燃料管３）
図１及び図３に示すように、空気管２は、円筒形状に形成されており、内周側に、ブロア等によって供給される燃焼用空気Ａを通過させるものである。燃料管３は、空気管２の内側に燃料管３と同軸状に配置されている。燃料管３内には、燃料ガスＦが流れる燃料ガス流路３１が形成されている。空気管２内であって燃料管３の外周側には、燃焼用空気Ａが流れる円環状の空気流路２１が形成されている。

（バーナノズル４）
図１及び図２に示すように、バーナノズル４は、燃料管３に連結されたノズル管部４１と、ノズル管部４１の全周から径方向Ｒの外周側に突出するフランジ部４２と、フランジ部４２の中央部分から軸方向Ｌの先端側に突出する凸状端部４３とを有する。第１空気噴出口６Ａ及び第２空気噴出口６Ｂは、フランジ部４２の外周から切り欠かれて形成されている。ノズル管部４１、フランジ部４２及び凸状端部４３の中央部には、燃料ガス流路３１に連通された、燃料ガスＦが導入されるノズル流路４４が形成されている。ガス噴出口５は、ノズル流路４４に連通された状態で、凸状端部４３に形成されている。

（ガス噴出口５）
図１及び図２に示すように、バーナノズル４の凸状端部４３には、バーナノズル４の径方向Ｒに沿って、換言すればバーナノズル４の軸方向Ｌに対して垂直に、燃料管３の燃料ガス流路３１に連通される複数のガス噴出口５が形成されている。複数のガス噴出口５は、燃料ガスＦをバーナノズル４の径方向Ｒの外周側へ噴出させるよう構成されている。換言すれば、複数のガス噴出口５は、バーナノズル４の中心部から径方向Ｒの外周側に向けて形成されている。

ガス噴出口５は、凸状端部４３の径方向Ｒの外周面において、バーナノズル４の外部に開口されている。ガス噴出口５は、バーナノズル４の径方向Ｒの中心部から外周側に行くに連れて、軸方向Ｌの先端側に位置するよう、傾斜して形成されていてもよい。

本形態のバーナノズル４においては、バーナノズル４の周方向Ｃにおいて１８０°異なる位置にガス噴出口５が形成されていることにより、ガスバーナ１の燃焼時において、バーナノズル４の周方向Ｃにおける燃料ガスＦの濃度に片寄り（ばらつき）が生じるようにしている。

（各空気噴出口６Ａ，６Ｂ）
図１及び図２に示すように、バーナノズル４のフランジ部４２には、空気管２の空気流路２１に連通される複数の空気噴出口６Ａ，６Ｂが形成されている。複数の第１空気噴出口６Ａ及び複数の第２空気噴出口６Ｂは、燃焼用空気Ａをバーナノズル４の軸方向Ｌの先端側へ噴出させるよう構成されている。複数の第１空気噴出口６Ａ及び複数の第２空気噴出口６Ｂは、バーナノズル４の周方向Ｃに交互に並んで、周方向Ｃに等間隔に形成されている。

図２に示すように、第１空気噴出口６Ａを構成する切欠きは、ガス噴出口５の形成位置に対して径方向Ｒの外周側に対向する位置に、最も内周側に位置する切欠き起点６１を有するとともに、切欠き起点６１から径方向Ｒの外周側に行くに連れて周方向Ｃの両側に拡がる一対の側面６２を有する。この構成により、ガス噴出口５から噴出される燃料ガスＦと、第１空気噴出口６Ａから噴出される燃焼用空気Ａとが適切に混合され、燃焼による火炎を安定して形成することができる。切欠き起点６１は、円弧状に形成されている。一対の側面６２は、直線状に形成されていてもよく、曲線状に形成されていてもよい。

第２空気噴出口６Ｂを構成する切欠きは、最も内周側に位置する切欠き起点６１を有するとともに、切欠き起点６１から径方向Ｒの外周側に行くに連れて周方向Ｃの両側に拡がる一対の側面６２を有する。第２空気噴出口６Ｂの切欠き起点６１及び一対の側面６２の形状は、第１空気噴出口６Ａの形状と同様である。

（ガス噴出口５及び各空気噴出口６Ａ，６Ｂの配置）
図２に示すように、本形態のバーナノズル４においては、バーナノズル４の周方向Ｃにおける複数のガス噴出口５の形成箇所に、意図的に片寄りを生じさせている。本形態のバーナノズル４においては、バーナノズル４を周方向Ｃに４等分する仮想領域Ｋ１，Ｋ２を想定する。図２において、仮想領域Ｋ１，Ｋ２を２点鎖線によって仕切って示す。ガス噴出口５及び第１空気噴出口６Ａは、径方向Ｒにおいて互いに対向する２つの第１仮想領域Ｋ１にそれぞれ形成されている。第２空気噴出口６Ｂは、径方向Ｒにおいて互いに対向する残りの２つの第２仮想領域Ｋ２にそれぞれ形成されている。

換言すれば、バーナノズル４の周方向Ｃにおいては、ガス噴出口５及び第１空気噴出口６Ａが形成された第１仮想領域Ｋ１と、第２空気噴出口６Ｂが形成された第２仮想領域Ｋ２とが交互に形成されている。ガス噴出口５及び第１空気噴出口６Ａは各第１仮想領域Ｋ１に１つずつ形成されており、第２空気噴出口６Ｂは各第２仮想領域Ｋ２に１つ形成されている。

ガス噴出口５は、第１仮想領域Ｋ１に複数形成されていてもよい。第１空気噴出口６Ａは、第１仮想領域Ｋ１に複数形成されていてもよい。第２空気噴出口６Ｂは、第２仮想領域Ｋ２に複数形成されていてもよい。第１空気噴出口６Ａ及び第２空気噴出口６Ｂの少なくとも一方は、切欠きではなく、貫通穴として形成されていてもよい。また、第１空気噴出口６Ａ及び第２空気噴出口６Ｂの少なくとも一方の切欠きは、種々の形状に形成されていてもよい。

図２に示すように、バーナノズル４のフランジ部４２には、着火用のスパークプラグの先端部を配置するプラグ配置穴４２１と、火炎が形成されていることを監視するための監視穴４２２とが形成されている。本形態のプラグ配置穴４２１及び監視穴４２２は、第１仮想領域Ｋ１及び第２仮想領域Ｋ２に跨って形成されている。プラグ配置穴４２１は、第１仮想領域Ｋ１に形成されていてもよい。監視穴４２２は、第１仮想領域Ｋ１又は第２仮想領域Ｋ２に形成されていてもよい。

（燃料ガスＦ及び燃焼用空気Ａの燃焼）
図１～図３に示すように、燃料ガスＦは、燃料管３の燃料ガス流路３１からバーナノズル４のノズル流路４４に流れ、凸状端部４３における２つのガス噴出口５から径方向Ｒの外周側に噴出される。燃焼用空気Ａは、空気管２の空気流路２１を流れ、バーナノズル４のフランジ部４２における各空気噴出口６Ａ，６Ｂから噴出される。ガス噴出口５から径方向Ｒの外周側へ噴出される燃料ガスＦは、第１空気噴出口６Ａから軸方向Ｌの先端側へ噴出される燃焼用空気Ａと迅速に混合されて燃焼し、火炎を形成する。第２空気噴出口６Ｂから軸方向Ｌの先端側へ噴出される燃焼用空気Ａは、火炎に供給され、バーナノズル４の軸方向Ｌの先端側においては、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａの全体とが燃焼して、火炎の全体が形成される。

（作用効果）
本形態のガスバーナ１においては、バーナノズル４におけるガス噴出口５及び空気噴出口６Ａ，６Ｂの形成の仕方に工夫をし、燃焼時に騒音が発生しにくくしている。具体的には、複数のガス噴出口５は、バーナノズル４の周方向Ｃにおいて、等間隔に並ばないよう部分的に片寄った状態で形成されている。また、複数の空気噴出口６Ａ，６Ｂは、バーナノズル４の径方向Ｒにおいて、ガス噴出口５の形成部位の外周側に重なる位置に形成された第１空気噴出口６Ａと、ガス噴出口５が形成されていない部位の外周側に重なる位置に形成された第２空気噴出口６Ｂとによって構成されている。

バーナノズル４の周方向Ｃの各部位において、ガス噴出口５と第１空気噴出口６Ａとが径方向Ｒに重なる（対向する）部位においては、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとが混合されやすく、これらの燃焼による火炎が安定して形成される。これにより、ガス噴出口５と第１空気噴出口６Ａとが径方向Ｒに重なる部位は、燃焼が先に開始される燃焼の起点となる。この部位は、燃料ガスＦの濃度が高い領域となり、バーナノズル４において失火が生じにくくすることができる。

一方、バーナノズル４の周方向Ｃの各部位において、第２空気噴出口６Ｂが形成された部位の内周側には、ガス噴出口５が形成されていない。そして、第２空気噴出口６Ｂから噴出される燃焼用空気Ａは、ガス噴出口５から噴出される燃料ガスＦと、第１空気噴出口６Ａから噴出される燃焼用空気Ａとの燃焼による火炎に供給されて、燃焼に利用される。

このような構成により、バーナノズル４の周方向Ｃの各部位において、複数のガス噴出口５から噴出された燃料ガスＦの濃度には、濃淡の分布が生じる。そのため、バーナノズル４による火炎の形成が緩やかになり、火炎の温度が緩やかに上昇する。その結果、燃焼に伴う騒音の発生を抑制することができる。

このように、本形態のガスバーナ１によれば、失火を生じさせずに、騒音の発生を抑制することができる。

＜実施形態２＞
本形態は、バーナノズル４に生じる熱応力を低減する工夫をしたガスバーナ１について示す。図４及び図５に示すように、本形態のバーナノズル４の中心には、燃料ガスＦをバーナノズル４の軸方向Ｌの先端側へ噴出させる直進ガス噴出口５０が形成されている。直進ガス噴出口５０は、バーナノズル４の凸状端部４３の中心において、バーナノズル４のノズル流路４４及び燃料管３の燃料ガス流路３１に連通される状態で形成されている。直進ガス噴出口５０は、ガス噴出口５の断面積と同じ断面積、又はガス噴出口５の断面積よりも小さな断面積で形成すればよい。

本形態のバーナノズル４の各ガス噴出口５及び各第１空気噴出口６Ａの近傍においては、各ガス噴出口５から噴出される燃料ガスＦと、燃焼による火炎との温度差が大きく、熱応力が局所的に集中する。本形態においては、複数のガス噴出口５の他に、直進ガス噴出口５０からも燃料ガスＦが噴出されることにより、複数のガス噴出口５から噴出される燃料ガスＦの流量が減少する。これにより、複数のガス噴出口５から噴出される燃料ガスＦと、燃焼による火炎との温度差を小さくすることができ、バーナノズル４に生じる熱応力が局所的に集中しにくくすることができる。

本形態のガスバーナ１における、その他の構成、作用効果等については、実施形態１の場合の構成、作用効果等と同様である。また、本形態においても、実施形態１に示した符号と同一の符号が示す構成要素は、実施形態１の構成要素と同様である。

本発明は、各実施形態のみに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲においてさらに異なる実施形態を構成することが可能である。燃料管３内には、燃料ガスＦの代わりに、燃料ガスＦと燃焼用空気Ａとの混合気が供給されてもよい。また、本発明は、様々な変形例、均等範囲内の変形例等を含む。

１ ガスバーナ
Ｋ１ 第１仮想領域
Ｋ２ 第２仮想領域
２ 空気管
３ 燃料管
４ バーナノズル
５ ガス噴出口
５０ 直進ガス噴出口
６Ａ 第１空気噴出口
６Ｂ 第２空気噴出口
６１ 切欠き起点
６２ 一対の側面
Ａ 燃焼用空気
Ｆ 燃料ガス

本発明の一態様は、
燃焼用空気が通過する空気管と、
前記空気管内に配置され、燃料ガス、又は燃料ガスと燃焼用空気との混合気が通過する燃料管と、
前記空気管内に配置されるとともに前記燃料管の先端部に連結されたノズル管部、前記ノズル管部の全周から径方向の外周側に突出するフランジ部、前記フランジ部の中央部分から軸方向の先端側に突出する凸状端部、前記フランジ部に前記径方向の外周側から切り欠かれて形成されて前記燃焼用空気を前記軸方向の先端側へ噴出させる複数の空気噴出口、及び前記凸状端部に形成されて前記燃料ガス又は前記混合気を前記径方向の外周側へ噴出させる複数のガス噴出口が形成されたバーナノズルと、を備え、
複数の前記空気噴出口は、前記バーナノズルの前記径方向において、前記ガス噴出口の形成部位の外周側に重なる位置に形成された第１空気噴出口と、前記ガス噴出口が形成されていない部位の外周側に重なる位置に形成された第２空気噴出口とによって構成されており、
前記バーナノズルを周方向に４等分する仮想領域を想定したときに、
前記ガス噴出口及び前記第１空気噴出口は、前記径方向において互いに対向する２つの第１仮想領域にそれぞれ形成されており、
前記第２空気噴出口は、前記径方向において互いに対向する残りの２つの第２仮想領域にそれぞれ形成されており、
前記第１空気噴出口は、前記ガス噴出口の形成位置に対して前記径方向の外周側に対向する位置に、最も内周側に位置する切欠き起点を有するとともに、前記切欠き起点から前記径方向の外周側に行くに連れて前記周方向の両側に拡がる一対の側面を有する、ガスバーナにある。

Claims (5)

1. 燃焼用空気が通過する空気管と、
   前記空気管内に配置され、燃料ガス、又は燃料ガスと燃焼用空気との混合気が通過する燃料管と、
   前記空気管内に配置されるとともに前記燃料管の先端部に設けられ、かつ前記燃焼用空気を噴出させる複数の空気噴出口、及び前記燃料ガス又は前記混合気を噴出させる複数のガス噴出口が形成されたバーナノズルと、を備え、
   複数の前記ガス噴出口は、前記バーナノズルの周方向において、等間隔に並ばないよう部分的に片寄った状態で形成されており、
   複数の前記空気噴出口は、前記バーナノズルの径方向において、前記ガス噴出口の形成部位の外周側に重なる位置に形成された第１空気噴出口と、前記ガス噴出口が形成されていない部位の外周側に重なる位置に形成された第２空気噴出口とによって構成されている、ガスバーナ。
2. 前記バーナノズルを前記周方向に４等分する仮想領域を想定したときに、
   前記ガス噴出口及び前記第１空気噴出口は、前記径方向において互いに対向する２つの第１仮想領域にそれぞれ形成されており、
   前記第２空気噴出口は、前記径方向において互いに対向する残りの２つの第２仮想領域にそれぞれ形成されている、請求項１に記載のガスバーナ。
3. 前記第１空気噴出口及び前記第２空気噴出口は、前記燃焼用空気を前記バーナノズルの軸方向の先端側へ噴出させるよう構成されており、
   複数の前記ガス噴出口は、前記燃料ガス又は前記混合気を前記バーナノズルの径方向の外周側へ噴出させるよう構成されている、請求項１又は２に記載のガスバーナ。
4. 複数の前記第１空気噴出口及び複数の前記第２空気噴出口は、前記バーナノズルの径方向の外周側から切り欠かれて形成されており、
   前記第１空気噴出口は、前記ガス噴出口の形成位置に対して前記径方向の外周側に対向する位置に、最も内周側に位置する切欠き起点を有するとともに、前記切欠き起点から前記径方向の外周側に行くに連れて前記周方向の両側に拡がる一対の側面を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスバーナ。
5. 前記バーナノズルの中心には、前記燃料ガス又は前記混合気を前記バーナノズルの軸方向の先端側へ噴出させる直進ガス噴出口が形成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のガスバーナ。

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